模擬氮沉降對楊樹人工林土壤動物類群結(jié)構(gòu)的影響

張鐵鎖，趙小龍，郭欽東，趙慧敏，譚 燕，范 換，葛之葳*，阮宏華*

(1.江蘇省東臺林場，江蘇 鹽城 224242;2.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

氮沉降是人類面臨的重大環(huán)境問題之一。北美和歐洲的部分地區(qū)，大氣氮沉降的量比工業(yè)化前增加了20倍以上[1-3]。隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國也出現(xiàn)了氮沉降水平很高的地區(qū)，1994年廣東全省降雨pH年均值為4.86，較上年降低了0.07，其中銨根離子濃度比美國酸雨區(qū)高出5～10倍[4]，而該省鼎湖山地區(qū)降雨中的氮沉降達(dá)38.4 kg/(hm2·a)[5]。我國已成為全球三大氮沉降集中區(qū)之一[6-8]。氮沉降量的絕大部分最終進(jìn)入土壤。評價氮沉降所造成的環(huán)境影響，需要對氮沉降下土壤動物的響應(yīng)進(jìn)行研究[9～10]。本研究擬在中國楊樹人工林分布較為集中的江蘇北部展開室外模擬氮沉降試驗(yàn)，并結(jié)合室內(nèi)分析試驗(yàn)，明確不同梯度額外氮沉降對于不同齡級蘇北楊樹人工林土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省鹽城市境內(nèi)的東臺林場，其地理位置為東經(jīng)120°49'，北緯32°52'。東臺境內(nèi)地勢平坦，地面高程1.4～5.1 m，大部分地區(qū)在2.6～4.6 m之間。東臺林場位于江蘇省中東部，地處黃海之濱，創(chuàng)建于1965年，該區(qū)屬亞熱帶和暖溫帶的過渡區(qū)，土壤為脫鹽草甸土，土壤質(zhì)地為沙質(zhì)壤土，土壤偏堿性。

1.2 樣地設(shè)置

1.2.1 樣地選擇 從試驗(yàn)區(qū)立地條件和經(jīng)營管理措施基本一致的林分中選擇不同林齡楊樹(黑楊派無性系I-35)人工林分，即幼齡林(4年生)、中齡林(8年生)和成熟林(15年生)。

1.2.2 樣方設(shè)置 每個林齡4個重復(fù)樣方，每個樣方內(nèi)均勻劃分為5個小樣方，每個小樣方25 m×30 m。樣方設(shè)置按照隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計。其中N0代表對照，不施加任何外源氮素，N1代表施加氮素5 g/(a·m2)，N2代表施加氮素10 g/(a·m2)，N3代表施加氮素15 g/(a·m2)，N4代表施加氮素30 g/(a·m2)。所施氮素為NH4NO3。

1.3 試驗(yàn)地處理

本試驗(yàn)運(yùn)用模擬氮沉降的方法。于試驗(yàn)期間施加外源氮素處理，將氮素人工均勻撒入樣地，然后均勻噴灑少量水，以便土壤對氮素的迅速吸收。

1.4 土樣采集

在試驗(yàn)樣地內(nèi)，用直徑40 mm土鉆為主的土壤采樣器，隨機(jī)采集土壤原狀樣品——表層土(0～10 cm)，采集的土樣放入自封袋封存后帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.5 室內(nèi)試驗(yàn)

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，用改良之后的Tullgren 12土壤動物分離漏斗，分離土壤動物，收集土壤動物樣本，所有樣本均收集在裝有酒精的廣口瓶中。用膠頭滴管吸取瓶內(nèi)液體放入培養(yǎng)皿中，用光學(xué)顯微鏡觀察，土壤動物分類鑒定參照《中國土壤動物檢索圖鑒》[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同齡級楊樹人工林地土壤動物分布及優(yōu)勢種分析

結(jié)果可見圖1，在幼齡林地中，甲螨亞目的土壤動物數(shù)量最多，大于其他任一類動物的5倍以上。其次是前氣門亞目、盲蛛目、彈尾綱、等翅目、膜翅目及寡毛綱等，這些土壤動物類型數(shù)量較均勻，均在10頭上下。

在中齡林地中，甲螨亞目的土壤動物依然數(shù)目最多，已經(jīng)大于100頭，是其他類土壤動物的6倍以上。而后依次是前氣門亞目、寡毛綱和盲蛛目。除了螨類以外，后3類土壤動物數(shù)目也相對增多，已經(jīng)與其他類型有了較為明顯的區(qū)別(見圖2)。

在老齡林地中，依然是甲螨亞目的土壤動物數(shù)量最多，而且數(shù)目之大十分明顯。而前氣門亞目的數(shù)量也有了顯著增加，明顯高出其他土壤動物類型，居第2位，膜翅目、齒目及纓翅目依次順延。其中螨類、前氣門類數(shù)量之大十分明顯(見圖3)。

由圖3還可以看出，甲螨亞目的土壤動物數(shù)目最多，占土壤動物總數(shù)的57.9%，為典型的優(yōu)勢類群;在甲螨亞目之后為前氣門亞目，屬于蜱螨目，也屬于優(yōu)勢類群。

2.2 不同氮沉降濃度土壤動物類型及數(shù)量變化趨勢分析

在施氮素N1濃度時，土壤動物無論種類還是數(shù)目都達(dá)到最高值，這是由于施加氮肥之后，增大了土壤肥力，土壤環(huán)境適應(yīng)了土壤動物的生活;但當(dāng)濃度增加到N2時，土壤動物類群豐富度及數(shù)量都開始呈下降趨勢(見圖4)。這說明一定限度內(nèi)的氮沉降對于土壤動物也許是有利的，但是過量的氮沉降會造成負(fù)面影響[9]，比如造成土壤酸化。

圖1 幼齡林地各類土壤動物數(shù)量

圖2 中齡林地各類土壤動物數(shù)量

圖3 老齡林地各類土壤動物數(shù)量

同時，由圖4可知，類群豐富度與數(shù)量呈正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)土壤動物種類增多時，相應(yīng)的數(shù)量也會增多。它們都呈現(xiàn)先升后降的趨勢，由于N0是對照試驗(yàn)，不施加任何氮肥，因此可以說明土壤動物類型及數(shù)量均隨氮沉降效應(yīng)的加大而減少[10]。

由圖5可見，中齡林類群數(shù)及個體數(shù)變化趨勢和幼齡林比較相似。之所以都在N1濃度之后開始有下降的趨勢是由于楊樹人工林的性質(zhì)決定的。東臺楊樹人工林所在地屬于砂質(zhì)土壤[13]，通透性強(qiáng)，保蓄性弱，養(yǎng)分含量低，氣多水少，溫度高而不穩(wěn)，這造成了脫氮生物含量較低，因此當(dāng)?shù)两禎舛仍龃笠院?，沒有一定數(shù)量能進(jìn)行脫氮[14]的土壤動物生存，環(huán)境逐漸惡劣卻無法改善，其他類型土壤動物數(shù)量也逐漸減少。

圖4 幼齡林地不同氮沉降濃度梯度下土壤動物的類群數(shù)及數(shù)量

但是和幼齡林地不同的是，中齡林地土壤動物數(shù)量明顯增多，氮濃度從N1增加至N2后，土壤動物數(shù)量的大幅度下降，是幼齡林的2倍。這是由于中齡林中的生物多樣性會逐漸豐富，土壤動物也有了更長的生活適應(yīng)時間，數(shù)量也相應(yīng)增多。

圖5 中齡林地不同氮沉降濃度梯度下土壤動物的類群數(shù)及數(shù)量

在老齡林中，由圖6可見，土壤動物的類群豐富度依然是先升后降的趨勢，土壤中施加N2和N3濃度的氮肥均使土壤動物達(dá)到了最高類群數(shù)，反映了其最適的生活環(huán)境;但在施氮濃度N1和N2的條件下，類群豐富度為上升趨勢，而數(shù)量呈下降趨勢，這一反常情況說明隨著林齡的不斷增加，土壤的性質(zhì)發(fā)生了變化，土壤動物生境異質(zhì)性相當(dāng)大而且其本身性質(zhì)也極其復(fù)雜[15]。

本研究還發(fā)現(xiàn)老齡林中N4濃度下土壤動物總數(shù)低于對照樣地(與幼齡林與中齡林中的情況相反)，這一方面說明土壤動物和所處環(huán)境本身所具有的復(fù)雜性及易變性之外，也說明人工氮沉降打破了老齡林自然生態(tài)系統(tǒng)所保持的平衡，干擾了起初比較穩(wěn)定的生物群落[9]。

圖6 老齡林地不同氮沉降濃度梯度下土壤動物的類群數(shù)及數(shù)量

2.3 不同齡級楊樹人工林地土壤動物多樣性分析

幼齡林地土壤動物的物種多樣性指數(shù)在不同氮沉降濃度下波動最為明顯，呈先升后降、而后再升高的趨勢;而中齡林地則是先升后降，老齡林地先升后趨于平緩(見圖7)。這可以說明幼齡林地對于環(huán)境變化比較敏感，而中、老齡林地中長時間積累的枯枝落葉為土壤動物的繁殖提供了能量來源，再加上人為灌溉，促進(jìn)了地表營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，為土壤動物的生長繁殖創(chuàng)造了良好的條件，使得林中生物多樣性比較穩(wěn)定[16]。

在各個不同氮沉降濃度下，多樣性指數(shù)基本上均是幼齡林 ＞中齡林 ＞老齡林，這是由于老齡林林木的枝葉茂密，郁閉度高，林下通風(fēng)狀況不良，通氣狀況較差造成的。同時，老齡林林木生長比較旺盛、代謝穩(wěn)定，土壤從林木獲得的能量物質(zhì)較少。這些原因都造成了土壤動物多樣性水平較低，并且個體數(shù)量少的結(jié)果。

2.4 不同氮沉降濃度對土壤甲螨分布情況的影響分析

土壤甲螨對其生活環(huán)境十分敏感，因此具有環(huán)境指示作用。當(dāng)?shù)两禎舛葹镹1時，個體數(shù)目達(dá)到最高(見圖8)，說明土壤環(huán)境優(yōu)良，土壤肥力較大[10]。隨著氮沉降濃度的繼續(xù)增大，甲螨數(shù)量在N2濃度時出現(xiàn)最低點(diǎn)，產(chǎn)生抑制現(xiàn)象，但是隨后在N3，N4濃度時又回到未受干擾時的水平。土壤甲螨能分解土壤中的有機(jī)物質(zhì)，改善土壤的通氣情況，在維持土壤肥力中起著很大作用。這是由于甲螨通過取食或體表攜帶微生物和植物有機(jī)質(zhì)，可以使這些微生物在土壤中擴(kuò)大分布、有機(jī)質(zhì)的表面積增大、有機(jī)質(zhì)與微生物充分混合，從而加快有機(jī)質(zhì)分解的緣故[17]。而且螨類動物分布很廣，數(shù)量驚人(甲螨的數(shù)量和種類是土壤節(jié)肢動物中最多的[18])，因此可以引用土壤螨類作為生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)生物，通過其直接作用(吸收，轉(zhuǎn)化和分解)或間接作用(改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤肥力，促進(jìn)植物和微生物的增長)來改善土壤環(huán)境[19-21]。由于試驗(yàn)地為砂質(zhì)土壤，營養(yǎng)匱乏，人為施加氮素更加促進(jìn)甲螨完成這一任務(wù)。

圖7 不同氮沉降濃度梯度下各齡林多樣性指數(shù)變化趨勢

圖8 甲螨亞目數(shù)量變化趨勢

同時，甲螨對于周圍環(huán)境有很強(qiáng)的敏感度，對于土壤中的細(xì)微變化都能做出迅速的反應(yīng)，因此可以大量引用作監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量的指示生物，監(jiān)測環(huán)境的優(yōu)劣變化。

3 結(jié)論

(1)甲螨亞目、前氣門亞目、彈尾綱、寡毛綱、膜翅目及盲蜘目在不同齡級、不同氮沉降梯度下所占比例較高，為典型的優(yōu)勢類群。

(2)楊樹人工林中土壤動物類群豐富度及數(shù)量在不同氮沉降濃度下呈現(xiàn)先升后降的趨勢。

(3)幼齡林土壤動物多樣性指數(shù)普遍較高，且隨氮沉降濃度的增加波動明顯，老齡林與之相反，在各個不同氮沉降濃度下，多樣性指數(shù)基本上均是幼齡林 ＞中齡林 ＞老齡林。

(4)土壤甲螨隨著氮沉降增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，具有環(huán)境指示作用。

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